單片機習(xí)題及參考答案1-2

1、頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容習(xí)題 11.1 什么是單片微型計算機？答：單片微型計算機是將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機，是計算機微型化的典型代表之一，通常片內(nèi)都含有CPU ROM RAM 并行 I/O、串行 I/O、定時器/計數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。1.2 單片機的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個階段？在哪一階段確立了單片機在嵌入式應(yīng)用中 的地位。答：單片機初級階段（1974 1976 年），芯片化探索階段（1976 1978 年），8 位單片機成 熟階段（19781982 年），從 SCM 向 MC 過渡階段（19831990 年），MC 百花齊放階段（1990 年一至今） 。其中，

2、芯片化探索階段（19761978 年）確立了單片機在嵌入式應(yīng)用中的地位。1.3 單片機可分為幾個系列？簡述每個系列的主要特性。答：單片機按系列可分為 80C51 系列、PIC 系列和 AVF 系列等。PIC 系列單片機是 Micro Chip 公司的產(chǎn)品，與 51 系列單片機不兼容。1）PIC 系列單片機最大的特點是從實際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價格比，發(fā)展多種型號 來滿足不同層次的應(yīng)用要求。2）精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。3）產(chǎn)品上市零等待（Zero time to market ）。4）PIC 有優(yōu)越開發(fā)環(huán)境。5）其引腳具有防瞬態(tài)能力，通過限流電阻可以接至 220V 交流電源，可直接與繼電

3、器控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來極大方便。6）徹底的保密性。7）自帶看門狗定時器，可以用來提高程序運行的可靠性。8）睡眠和低功耗模式。AVR 單片機是 1997 年由 ATMEL 公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash 的 RISC（Reduced Instruction Set CPU） 精簡指令集高速 8 位單片機。AVR 單片機的主要特性1）AVR 單片機以字作為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中 （指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此），取指周期短，又可預(yù)取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。2）AVR 單片機硬件結(jié)構(gòu)采取 8 位機與 16 位機的折中策略

4、，即采用局部寄存器堆（32 個寄存器文件）和單體高速輸入/輸出的方案（即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相 應(yīng)控制邏輯）。提高了指令執(zhí)行速度（1MIPS/MHZ），克服了瓶頸現(xiàn)象；同時又減少了對外設(shè)管 理的開銷，相對簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。3）AVR 單片機內(nèi)嵌高質(zhì)量的 Flash 程序存儲器，擦寫方便，支持 ISP 和 IAP，便于產(chǎn)品 的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新。4）AVR 單片機的 I/O 線全部帶可設(shè)置的上拉電阻、可單獨設(shè)定為輸入/輸出、可設(shè)定（初始）高阻輸入、驅(qū)動能力強（可省去功率驅(qū)動器件）等特性，使得I/O 口資源靈活、功能強大、可充分利用。5）AVR 單片機片內(nèi)具備多種獨立

5、的時鐘分頻器，分別供 URAT I2C SPI 使用。6）增強性的高速同/異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗碼、硬件檢測和校驗幀錯、兩級接收緩沖、波特率自動調(diào)整定位（接收時）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實現(xiàn)多機通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，串口功能大大超過MCS-51/96 單片機的串口，加之 AVR 單片機高速，中斷服務(wù)時間短，故可實現(xiàn)高波特率通訊。頁眉內(nèi)容頁腳內(nèi)容7） 面向字節(jié)的高速硬件串行接口TWI、SPI。TWI 與|2C 接口兼容，具備 ACK 信號硬件發(fā)送與識別、 地址識別、 總線仲裁等功能， 能實現(xiàn)主 / 從機的收 / 發(fā)全部 4 種組合的多機通信。

6、 SPI支持主 /從機等 4 種組合的多機通信。8）AVR 單片機有自動上電復(fù)位電路、獨立的看門狗電路、低電壓檢測電路BOD 多個復(fù)位源（自動上電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、BOD 復(fù)位），可設(shè)置的啟動后延時運行程序， 增強了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。9）AVR 單片機具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運行（52.7V），抗干擾能力強，可降低一般 8 位機中的軟件抗干擾設(shè)計工作量和硬件的使用量。10） AVR 單片機技術(shù)體現(xiàn)了單片機集多種器件（包括 FLASHY 序存儲器、看門狗、 EEPROM同/異步串行口、TWI、SPI、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器/計數(shù)器等）和多種功能（增強可靠性的 復(fù)位系統(tǒng)、降

7、低功耗抗干擾的休眠模式、 品種多門類全的中斷系統(tǒng)、 具有輸入捕獲和比較匹 配輸出等多樣化功能的定時器 /計數(shù)器、具有替換功能的 I/O 端口等）于一身，充分體現(xiàn)了單 片機技術(shù)的從“片自為戰(zhàn)”向“片上系統(tǒng) SOC 過渡的發(fā)展方向1.4 簡述單片機技術(shù)發(fā)展的趨勢。答：（ 1 ）單片機的大容量化單片機內(nèi)存儲器容量進(jìn)一步擴大。以往片內(nèi)ROM 為 1KB- 8KB, RAM 為 64 字節(jié)256 字節(jié)。 現(xiàn)在片內(nèi) ROM 可達(dá) 40KB 片內(nèi) RAM 可達(dá) 4KB, I/O 也不需再外加擴展芯片。OTPROJVFIash ROM成為主流供應(yīng)狀態(tài)。而隨著單片機程序空間的擴大,在空余空間可嵌入實時操作系統(tǒng)

8、RTOS 等軟件。這將大大提高產(chǎn)品的開發(fā)效率和單片機的性能。（ 2）單片機的高性能化高性能化主要是指進(jìn)一步改進(jìn)CPU 的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，可以大幅度提高運行速度。并加強位處理功能、中斷和 定時控制功能；采用流水線結(jié)構(gòu)，指令以隊列形式出現(xiàn)在 CPU 中，因而具有很高的運算速度， 有的甚至采用多級流水線結(jié)構(gòu)。單片機的擴展方式從并行總線到發(fā)展出各種串行總線, 并被工業(yè)界接受, 形成一些工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)。如I2C、 SPI 串行總線等。它們采用 3 條數(shù)據(jù)總線代替現(xiàn)行的 8 條數(shù)據(jù)總線,從而減 少了單片機引線,降低了成本。單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及

9、規(guī)范化。（ 3）單片機的小容量低廉化小容量低廉的 4 位、 8 位機也是單片機發(fā)展方向之一。其用途是把以往用數(shù)字邏輯電路 組成的控制電路單片化。 專用型的單片機將得到大力發(fā)展。 使用專用單片機可最大限度地簡 化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高可靠性,使資源利用率最高。在大批量使用時有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。（4）單片機的外圍電路內(nèi)裝化隨著集成度的不斷提高, 可以把眾多的外圍功能器件集成到單片機內(nèi)。 除了 CPU、 ROM、 RAM外，還可把 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器、DMA$制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時器、液晶驅(qū)動電路、 鎖相電路等一并集成在芯片內(nèi)。 為了減少外部的驅(qū)動芯片, 進(jìn)一步增強單片機的并行驅(qū)動能 力。有的單片機可

10、直接輸出大電流和高電壓, 以便直接驅(qū)動顯示器。 為進(jìn)一步加快 I/O 口的 傳輸速度, 有的單片機還設(shè)置了高速 I/O 口,可用最快的速度驅(qū)動外部設(shè)備, 也可以用最快 的速度響應(yīng)外部事件。 甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做, 把所需要的外圍電 路全部集成在單片機內(nèi),制造出具有自己特色的單片機。（5）單片機的全面 CMO 化單片機的全面 CMO 化，將給單片機技術(shù)發(fā)展帶來廣闊的天地。 CMOS 芯片除了低功耗特 性之外, 還具有功耗的可控性, 使單片機可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。 低功耗的技術(shù)措施 可提高可靠性,頁眉內(nèi)容頁腳內(nèi)容降低工作電壓, 可使抗噪聲和抗干擾等各方面性能全面提高。

11、單片機的全盤 CMOS 化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。(6) 單片機的應(yīng)用系統(tǒng)化單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，單片機向MC 發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決。因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SOC(System on Chip )化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC 設(shè)計 EDA 工具的發(fā)展，基于 SOC 勺單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。因此， 隨著集成電路技術(shù)及工藝的快速發(fā)展， 對單片機的理解可以從單片微型計算機、 單片 微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。1.5 單片機具有哪些突出優(yōu)點 ?舉例說明單片機的應(yīng)用領(lǐng)域。答： 1單片機壽

12、命長所謂壽命長， 一方面指用單片機開發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作十年、二十年， 另一方面是指與微處理器相比生存周期長。MPU 更新?lián)Q代的速度越來越快，以 386、486、586 為代表的 MPU 幾年內(nèi)就被淘汰出局。而傳統(tǒng)的單片機如8051、68HC05 等年齡已有二十多歲，產(chǎn)量仍是上升的。一些成功上市的相對年輕的 CPU 核心，也會隨著 I/O 功能模塊的不斷豐富， 有著相當(dāng)長的生存周期。2 8 位、 32 位單片機共同發(fā)展這是當(dāng)前單片機技術(shù)發(fā)展的另一動向。 長期以來，單片機技術(shù)的發(fā)展是以 8 位機為主的。 隨著移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32 位單片機應(yīng)用得到了長足、

13、迅猛的發(fā)展。3低噪聲與高速度為提高單片機抗干擾能力， 降低噪聲， 降低時鐘頻率而不犧牲運算速度是單片機技術(shù)發(fā) 展之追求。一些 8051 單片機兼容廠商改善了單片機的內(nèi)部時序，在不提高時鐘頻率的條件 下，使運算速度提高了很多。 Motorola 單片機使用了瑣相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)使內(nèi)部總 線速度大大高于時鐘產(chǎn)生器的頻率。68HC08 單片機使用 4.9MHz 外部振蕩器而內(nèi)部時鐘達(dá)32MHz 三星電子新近推出了 1.2GHz 的 ARM 處理器內(nèi)核。4低電壓與低功耗幾乎所有的單片機都有 Wait、 Stop 等省電運行方式。允許使用的電源電壓范圍也越來 越寬。一般單片機都能在 36V 范圍內(nèi)工

14、作，對電池供電的單片機不再需要對電源采取穩(wěn)壓 措施。 低電壓供電的單片機電源下限已由 2.7V 降至 2.2V、 1.8V。 0.9V 供電的單片機已經(jīng)問 世。5低噪聲與高可靠性為提高單片機系統(tǒng)的抗電磁干擾能力， 使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境， 滿足電磁兼容性 方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片機商家在單片機內(nèi)部電路中采取了一些新的技術(shù)措施。如ST公司的由標(biāo)準(zhǔn) 8032 核和 PSD(可編程系統(tǒng)器件)構(gòu)成的卩 PSD 系列單片機片內(nèi)增加了看門狗定時器，NS 公司的 COP8 單片機內(nèi)部增加了抗 EMI 電路，增強了 “看門狗”的性能。 Motorola推出了低噪聲的 LN 系列單片機。6ISP 與 IA

15、PISP(In-System Programming )技術(shù)的優(yōu)勢是不需要編程器就可以進(jìn)行單片機的實驗和開發(fā)， 單片機芯片可以直接焊接到電路板上， 調(diào)試結(jié)束即成成品， 免去了調(diào)試時由于頻繁地插入取 出芯片對芯片和電路板帶來的不便。IAP( In-Application Programming)技術(shù)是從結(jié)構(gòu)上將 Flash 存儲器映射為兩個存儲體， 當(dāng)運行一個存儲體上的用戶程序時，可對另一個存儲體重新編程，之后將程序從一個存儲體轉(zhuǎn)向另一個。 ISP 的實現(xiàn)一般需要很少的外部電路輔助 實現(xiàn)，而IAP 的實現(xiàn)更加靈活， 通?？衫脝纹瑱C的串行口接到計算機的RS232 口，通過專頁眉內(nèi)容頁腳內(nèi)容門設(shè)計

16、的固件程序來編程內(nèi)部存儲器，可以通過現(xiàn)有的INTERNET 或其它通訊方式很方便地實現(xiàn)遠(yuǎn)程升級和維護(hù)。單片機的應(yīng)用領(lǐng)域：1）智能化家用電器：各種家用電器普遍采用單片機智能化控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子線路控 制，升級換代，提高檔次。如洗衣機、空調(diào)、電視機、錄像機、微波爐、電冰箱、 電飯煲以及各種視聽設(shè)備等。2）辦公自動化設(shè)備：現(xiàn)代辦公室使用的大量通信和辦公設(shè)備多數(shù)嵌入了單片機。如打 印機、復(fù)印機、傳真機、繪圖機、考勤機、電話以及通用計算機中的鍵盤譯碼、磁 盤驅(qū)動等。3）商業(yè)營銷設(shè)備：在商業(yè)營銷系統(tǒng)中已廣泛使用的電子稱、收款機、條形碼閱讀器、IC 卡刷卡機、出租車計價器以及倉儲安全監(jiān)測系統(tǒng)、商場保安系統(tǒng)、

17、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、 冷凍保險系統(tǒng)等都采用了單片機控制。4） 工業(yè)自動化控制：工業(yè)自動化控制是最早采用單片機控制的領(lǐng)域之一。如各種測控系統(tǒng)、過程控制、機電一體化、 PLC 等。在化工、建筑、冶金等各種工業(yè)領(lǐng)域都要用 到單片機控制。5） 智能儀器儀表：采用單片機的智能化儀表大大提升了儀表的檔次，強化了功能。如 數(shù)據(jù)處理和存儲、故障診斷、聯(lián)網(wǎng)集控等。6） 智能化通信產(chǎn)品：最突出的是手機，當(dāng)然手機內(nèi)的芯片屬專用型單片機。7） 汽車電子產(chǎn)品：現(xiàn)代汽車的集中顯示系統(tǒng)、動力監(jiān)測控制系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)、通 信系統(tǒng)和運行監(jiān)視器（黑匣子）等都離不開單片機。8） 航空航天系統(tǒng)和國防軍事、尖端武器等領(lǐng)域：單片機的應(yīng)用更是

18、不言而喻。頁眉內(nèi)容頁腳內(nèi)容習(xí)題 22.1 MCS-51 單片機內(nèi)部包含哪些主要邏輯功能部件？答：微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM ）、程序存儲器（ROM/EPROM ）、特殊功能 寄存器（SFR）、并行 I/O 口、串行通信口、定時器/計數(shù)器及中斷系統(tǒng)。2.2 說明程序計數(shù)器 PC 和堆棧指針 SP 的作用。復(fù)位后 PC 和 SP 各為何值？答：程序計數(shù)器 PC 中存放將要執(zhí)行的指令地址，PC 有自動加 1 功能，以實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行。它是 SFR 中唯一隱含地址的，因此，用戶無法對它進(jìn)行讀寫。但在執(zhí)行轉(zhuǎn)移、 調(diào)用、返回等指令時能自動改變其內(nèi)容，以實現(xiàn)改變程序的執(zhí)行順序。程序計數(shù)器 PC

19、 中內(nèi)容的變化決定程序的流程，在執(zhí)行程序的工作過程中，由PC 輸出將要執(zhí)行的指令的程序存儲器地址， CPU 讀取該地址單元中存儲的指令并進(jìn)行指令譯碼等 操作，PC則自動指向下一條將要執(zhí)行的指令的程序存儲器地址。SP 是一個 8 位的 SFR，它用來指示堆棧頂部在內(nèi)部 RAM 中的位置。系統(tǒng)復(fù)位后 SP 為 07H，若不對 SP 設(shè)置初值，則堆棧在 08H 開始的區(qū)域，為了不占用工作寄存器ROR7的地 址，一般在編程時應(yīng)設(shè)置 SP 的初值（最好在 30H7FH 區(qū)域）。2.3 程序狀態(tài)字寄存器 PSW 的作用是什么？其中狀態(tài)標(biāo)志有哪幾位？它們的含義 是什么？答：PSW 是保存數(shù)據(jù)操作的結(jié)果標(biāo)志，

20、其中狀態(tài)標(biāo)志有CY（ PSW.7）:進(jìn)位標(biāo)志，AC（PSW.6）:輔助進(jìn)位標(biāo)志，又稱半進(jìn)位標(biāo)志，F(xiàn)0、F（PSW.5、PSW.1）:用戶標(biāo)志；OV（ PSW.2） :溢出標(biāo)志；P（ PSW.0）:奇偶標(biāo)志。2.4 什么是堆棧？堆棧有何作用？為什么要對堆棧指針 SP 重新賦值？SP 的初值應(yīng)如何設(shè)定?答：堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 所謂堆棧就是只允許在其一端進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入和數(shù)據(jù)讀出的線 性表。其主要作用有兩個：保護(hù)斷點和保護(hù)現(xiàn)場。堆棧區(qū)的設(shè)置原則上可以在內(nèi)部 RAM 的任意區(qū)域，但由于 MCS-51 單片機內(nèi)部 RAM 的00H1FH 地址單元已被工作寄存器 R0R7 占用， 20H2FH 為位尋址區(qū)，

21、 故堆棧一般設(shè)在 30H7FH （對于 8032 系列芯片可為 30H0FFH ）的區(qū)域內(nèi)。單片機復(fù)位后，SP 的內(nèi)容為 07H , 堆棧事實上由 08H單元開始，考慮到 08H1FH 單元分別屬于 13 組的工作寄存器區(qū)，則最好 把 SP 值改置為 仆 H 或更大的值。2.5 開機復(fù)位后，CPU 使用的是哪組工作寄存器？它們的地址如何？CPU 如何指 定和改變當(dāng)前工作寄存器組 ?答：開機復(fù)位后使用的是 0 組工作寄存器，它們的地址是 00H07H，對程序狀態(tài)字 PSW 中 的 RS1和 RS0 兩位進(jìn)行編程設(shè)置，可指定和改變當(dāng)前工作寄存器組。RS1、RS0=00H 時，當(dāng)前工作寄存器被指定為

22、 0 組；RS1、RS0=01H 時，當(dāng)前工作寄存器被指定為 1 組；RS1、RS0=10H 時，當(dāng)前工作寄存器被指定為2 組；RS1、RS0=11H 時，當(dāng)前工作寄存器被指定為 3 組。2.6 MCS-51 的時鐘周期、機器周期、指令周期是如何定義的？當(dāng)振蕩頻率為 12MHz時，一個機器周期為多少微秒 ?答： 時鐘周期也稱為振蕩周期，定義為時鐘脈沖的倒數(shù)，是計算機中最基本的、最 小的時間單位。2CPU 取出一條指令至該指令執(zhí)行完所需的時間稱為指令周期，因不同的指令執(zhí)行所需的時間可能不同，故不同的指令可能有不同的指令周期。3機器周期是用來衡量指令或程序執(zhí)行速度的最小單位。 它的確定原則是以最小

23、指 令周期為基準(zhǔn)的，即一個最小指令周期為一個機器周期。4當(dāng)振蕩頻率為 12MHz 時，一個機器周期 1 微秒頁眉內(nèi)容頁腳內(nèi)容2.7 MCS-51 單片機的控制信號EA、ALE、PSEN有哪些功能？答：盯是訪問程序存儲器控制信號。當(dāng)尹端接低電平時，則不管芯片內(nèi)部是否有程序存儲器，CPU 只訪問外部程序存儲器。對8031 來說，因其內(nèi)部無程序存儲器，所以該引腳必須接地。當(dāng) E端接高電平時，CPU 訪問內(nèi)部程序存儲器，但當(dāng)PC （程序計數(shù)器）值超過某一值時，將自動轉(zhuǎn)向片外程序存儲器1000H 地址繼續(xù)執(zhí)行程序。ALE是地址鎖存允許信號。當(dāng) CPU 訪問外部存儲器或 I/O 接口時，ALE 輸出脈沖的

24、下降沿 用于鎖存 16 位地址的低 8 位。在不訪問外部存儲器或 I/O 接口時，ALE 端有周期性正脈沖輸出， 其頻率為振蕩頻率的 1/6。但是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或 I/O 接口時，在第二個機器周期中 ALE 只出現(xiàn)一次，即丟失一個 ALE 脈沖。PSE亍片外程序存儲器讀選通信號。在CPU從外部程序存儲器讀取指令（或常數(shù)）期間， 每個機器周期PSEN兩次有效，但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或 I/O 接口時，PSEN信號將不出 現(xiàn)。PSEN端可以驅(qū)動 8 個 TTL 負(fù)載。2.8 MCS-51 的片外程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器共處同一地址空間為什么不會發(fā)生總線沖突？答：MCS-51 的片外程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器共處同一地址空間，地址范圍都是0000HFFFFH （64 KB ），但不會發(fā)生總線沖突。因片外程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器的 讀寫控制信號不同，片外程序存儲器的讀信號是PSEN,而片外數(shù)據(jù)存儲器的讀信號為RD、寫信號為WR,訪問片外程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存